高速鐵路路基活動缺陷檢測與監(jiān)測方法研究

高速鐵路的舒適性和安全性很大程度上取決于路基的平順度和穩(wěn)定性，而鋼筋混凝土路基是一種非均勻的缺陷材料結(jié)構(gòu)，在外界擾動下，隱形缺陷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性缺陷，缺陷擴展到一定程度將影響高速鐵路的安全運行。目前還沒有現(xiàn)實可行的在役高速鐵路路基缺陷檢測監(jiān)測方法。本項目通過試驗、理論分析和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的手段，對含缺陷混凝土的起裂機理、擴展準則以及裂縫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定擴展判據(jù)進行深入的系統(tǒng)研究，探索裂紋起裂時的力電磁效應，裂紋穩(wěn)定到非穩(wěn)定擴展瞬態(tài)的力電磁效應，以及斷裂全過程的跨尺度計算模型，發(fā)展針對缺陷混凝土結(jié)構(gòu)非接觸動態(tài)監(jiān)測理論，并形成一套基于結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷擴展穩(wěn)定識別的整體安全穩(wěn)定評價準則。研制高信噪比和可靠性的高速鐵路混凝土路基活動缺陷檢測監(jiān)測儀器。 通過深入的理論分析，提出了應力激發(fā)電偶極子模型。此模型進一步闡釋了缺陷擴展過程中應力變化與電磁輻射之間的聯(lián)系，推導出了混凝土材料的力學屬性與電磁輻射的電場強度、磁場強度以及輻射頻率之間的關(guān)系，為后期處理電磁輻射信號提供了理論支持。應力激發(fā)電偶極子模型是基于斷裂力學和電動力學理論建立的，該模型將裂紋尖端處所受的應力變化情況與電磁輻射的頻率和幅值有效的聯(lián)系起來，推導出了裂紋尖端應力的變化是導致電磁輻射的最主要原因，且電磁輻射的能量來自于裂紋尖端應力變化產(chǎn)生的應變能。其次，通過分析裂紋尖端的位移場，建立了破裂過程的力電耦合模型，該模型將裂紋尖端的張開位移量與電磁輻射的幅值建立了聯(lián)系，進而得出了通過電磁輻射的幅值大小判斷破裂情況的評估方法。最后，采用實驗研究的方法，通過在電磁屏蔽箱中的自膨脹破裂實驗，得到了無外界電磁波信號干擾的混凝土破裂過程中產(chǎn)生的電磁輻射信號?；趹ぐl(fā)電偶極子模型和力電耦合模型對所測得信號的分析，可初步判斷混凝土試樣的裂紋產(chǎn)生和擴展的情況。解決了如何判斷電磁輻射信號與混凝土開裂擴展過程之間的關(guān)系問題。 本研究屬于交叉學科，研究成果對于促進我國高速鐵路路基安全監(jiān)測，混凝土力學學科的發(fā)展具有重要的科學和工程意義。 2100433B

高速鐵路的舒適性和安全性很大程度上取決于路基的平順度和穩(wěn)定性，而鋼筋混凝土路基是一種非均勻的缺陷材料結(jié)構(gòu)，在外界擾動下，隱性缺陷逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轱@性缺陷，缺陷擴展到一定程度將影響高速鐵路安全運行。目前還沒有現(xiàn)實可行的在役高速鐵路路基缺陷檢測監(jiān)測方法。本項目擬采用試驗、理論分析和數(shù)值模擬計算相結(jié)合的手段，通過對含缺陷混凝土的起裂機理、擴展準則以及裂縫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定擴展判據(jù)進行深入的系統(tǒng)研究，探索裂紋起裂時的力電磁效應，裂紋穩(wěn)定到非穩(wěn)定擴展瞬態(tài)的力電磁效應，以及斷裂全過程的跨尺度計算模型；發(fā)展針對缺陷混凝土結(jié)構(gòu)非接觸動態(tài)監(jiān)測理論，并形成一套基于結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷擴展穩(wěn)定識別的整體安全穩(wěn)定評價準則；研制高信噪比和可靠性的高速鐵路混凝土路基活動缺陷檢測監(jiān)測儀器。本研究屬交叉學科，研究成果對于促進我國高速鐵路路基安全監(jiān)測、混凝土力學學科的發(fā)展具有重要的科學和工程意義。

主要研究材料內(nèi)部應力、疲勞所造成的活動缺陷（包括疲勞裂紋、蠕變等）對鐵磁性材料的微觀作用機制，這種作用表現(xiàn)為材料宏觀磁特性的變化，進而在材料表面產(chǎn)生漏磁場，建立活動缺陷－漏磁場關(guān)系模型，通過分析材料表面漏磁場特征可判斷是否存在活動缺陷、確定材料的疲勞狀態(tài)和剩余壽命，同常規(guī)漏磁檢測相比，無需外界人工磁化場，避免了漏磁檢測的缺點，同時，也避免了磁記憶檢測只能定性判斷應力集中位置，而無法發(fā)現(xiàn)工程中有重要意義的疲勞裂紋和無法判斷材料疲勞狀態(tài)的問題?；顒尤毕輽z測是一種全新的檢測概念，用于檢測和監(jiān)測在役設(shè)備在使用過程中產(chǎn)生并在使用過程中繼續(xù)擴展的危險性缺陷，拓展了無損檢測的內(nèi)涵，使漏磁場檢測從單純的缺陷檢測向早期狀態(tài)診斷方向發(fā)展，在壓力容器、石油、鐵路、化工、電力、礦山等行業(yè)有迫切的需求和廣闊的應用前景。 2100433B

一些關(guān)鍵部位的焊接結(jié)構(gòu)常處于高溫、高壓或者高載荷等極端環(huán)境，因此焊接接頭的可靠性成為確保其安全運行的重要環(huán)節(jié)。作為質(zhì)量控制方法之一的超聲檢測技術(shù)，在焊接結(jié)構(gòu)的無損檢測中占有重要地位，在一定程度上替代了射線檢測。然而，對于大厚度焊接結(jié)構(gòu)的超聲檢測，受信號傳播距離以及焊縫組織的影響，使得對缺陷定位、定量識別的精度不高，同時對小缺陷的檢出能力較差，不利于焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量評價。本項目通過搭建的實驗平臺，研究了基于線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation, LFM)技術(shù)的超聲成像檢測方法以及探討了提高焊縫缺陷識別精度的技術(shù)途徑。 根據(jù)線性調(diào)頻信號的特點及脈沖壓縮技術(shù)的原理，建立了滿足不同檢測方法和需求的線性調(diào)頻激勵檢測系統(tǒng)，并開發(fā)了具有檢測信號實時接收與存儲的自動成像檢測程序，可對多種掃描模式的檢測信號進行離線批處理并形成掃描圖像。 討論了LFM檢測中影響檢測結(jié)果的主要因素，包含載波頻率fc、脈沖寬度T、有效帶寬B。針對不同頻率的超聲探頭，采用超聲透射方法進行了調(diào)頻參數(shù)的測試，揭示了上述調(diào)頻參數(shù)的選擇方法。通過2mm小缺陷的線性調(diào)頻激勵TOFD檢測實驗，驗證了建立的LFM檢測系統(tǒng)的檢測靈敏度和調(diào)頻參數(shù)選擇的合理性。 研究了大厚度試件的高頻超聲檢測，采用10MHz的高頻探頭對60mm厚試件的近表面和底面缺陷進行了LFM激勵的TOFD檢測。研究表明，LFM激勵解決了信號的穿透力與分辨率之間的矛盾，突破了傳統(tǒng)超聲檢測中對高頻傳感器使用范圍的限制，有效地減小表面盲區(qū)，使缺陷定位平均誤差減小到0.36mm。 討論了LFM激勵的TOFD成像檢測及圖像優(yōu)化方法，采用信號互相關(guān)方法及峰值搜索方法對LFM-TOFD圖像進行預處理，有效地消除檢測圖像的畸變，提高了圖像的連續(xù)性及可讀性。針對對接焊縫中的實際缺陷進行了LFM-TOFD成像檢測，實現(xiàn)了高度在1.4mm以上缺陷的上、下端衍射信號的識別。結(jié)果表明LFM-TOFD方法與常規(guī)TOFD方法相比，使檢測信噪比提高了近6dB，時間分辨力平均提高了30%，定量測量誤差降低了80%。 針對線性調(diào)頻信號檢測中的匹配濾波輸出的旁瓣問題，對其進行了基于窗函數(shù)法的幅度調(diào)制波形設(shè)計，研究表明，Hamming窗是一種合適的幅度調(diào)制設(shè)計方法，其設(shè)計的波形在匹配濾波輸出的主瓣寬度、主旁瓣比、主瓣峰值對比中具有較好的綜合效果，旁瓣抑制達27.3dB 2100433B